随着“金税工程”的推广实施,税控收款机的客户群不断地在增加,税控收款机的市场容量越来越大。税控收款机打印模块电机的控制对收款机的品质影响比较大。本文将介绍打印机驱动芯片MTD2003F,并介绍基于此芯片的实用驱动电路。

图1 双极型步进电机接线示意图

税控收款机打印模块的步进电机一般是用小型两相双极型步进电机,步进电机的内部结构如图1所示。两相双极型步进电机有两个绕组(图中画出其中一个),控制的时候按照一定的顺序改变绕组的电流方向,电机内部的磁场就对应地产生旋转(见图1),电机转子在磁场的作用下一步一步的按照磁场方向前进。

驱动电路的目标就是根据单片机或者其他控制逻辑给出的脉冲,控制步进电机产生电流的换向。

图2 MTD2003F原理图

HINDENGEN(新电元)公司推出的两相双极型步进电机驱动集成电路MTD2003F特别适用于税控收款机打印模块电机的控制。MTD2003F集成了功率器件和控制逻辑,外部只要连接一些简单的器件,就可以实现电机的恒流斩波控制,其内部原理如图2所示。

图3 MTD2003F恒流驱动示意图

图4 电机线圈电路示意图

MTD2003F主要特性：驱动电压小于30V;逻辑电压为5V;最大输出电流为1.2A(内置斩波控制);内置电流噪声抑制;2位数字电流选择;4位相位输入实现2-2相/1-2相的激励模式;内置过热保护功能;集成钳位二极管等。

MTD2003F恒流驱动过程

MTD2003F的恒流驱动电路如图3所示,电机线圈的电流波形如图4所示。

(1)在外部信号的控制下,Q1、Q2导通,产生了电流①(电源→Q1→线圈→Q2→Rs→地)。电流①的大小通过采样电阻Rs采样转换成Vs。当电流①增大,Vs也升高,Vs超过预先设置的Vref时,电流检测比较器就输出一个控制信号关断Q1。

(2)Q1关断后,因为线圈的电感感应,产生电流②(地→Dfw→线圈→Q2→Rs→地)。在这个过程中电流不断减小。

(3)经过斩波周期T(由振荡电路产生)之后,Q1重新导通,产生电流③,电流方向和电流①一致。电流重新上升,Vs上升,Vs上升到比Vref大时,Q1重新被关断。之后②③不断循环。

(4)在外部信号的作用下,Q1、Q2关断,产生电流④(地→Dfw→线圈→Dfb→电源),电流迅速降低。

驱动电流设计

电流计算公式：
Ip(100%)=
电流大小还受到25脚I0、18脚I1的控制,如表1所示。
实际控制当中,根据电机推荐参数来设置电流,一般打印模块的电机可设置为250～300mA。这时可以选择Rs＝1.8Ω,Vref＝5V,此时Ip＝262mA。

斩波频率设计

斩波周期T＝0.72·Ct·Rt,频率：

斩波频率的选择是比较关键的。频率太高,芯片功耗增大;频率过低,会进入音频范围而产生噪声。实际当中一般可选择在20～25kHz。

降低、分散功率设计

在前面讲述的驱动过程中,②和④阶段有电流流经续流二极管Dfw。在状态切换的时候产生了最大的Vf,同时内部的续流二极管Dfw的压降本身也比较大,产生了较大的功耗。

设计时,可以在输出端外加肖特基二极管,并且选择压降比内部二极管小、恢复时间比内部二极管快的肖特基二极管,这样②和④的电流就基本不再流经Dfw,大部分是流过外部的二极管,这样芯片内部的功耗就小了很多,提高了热性能,也就提高了可靠性。肖特基二极管可以选择SHINDENGEN的D1FS4。降低功耗设计的电路如图5所示。

图5 采用肖特基二极管降低功耗的电路

图6 应用实例

电机驱动电源的电容设计

在设计当中,电机驱动电源的电容往往被人忽视,但这个电容对于电路的性能又是比较关键的。在②、③斩波过程中,电路上在电源、地间产生较大的充放电尖峰电流。选择一个50μF左右的电容,设计PCB的时候尽量使电容靠近芯片的电源和地端,则可以减少尖峰电流的回流路径,这样就减少了电路误动作的可能性,降低了电路噪声。

图7 实际测试电流波形图

应用实例

基于MTD2003F的驱动电路如图6所示。图中使用的器件参数如下：
U1：MTD2003F
R1：18kΩ,1%
R2、R4：1kΩ
R3、R5：1.8Ω,1W,1%
C1：3300pF,5%
C2：0.1μF
C3：47μF/35V
C4、C5：470pF
D1、D2、D3、D4：D1FS4

斩波频率理论值：f＝1/0.72·3300·10-12·18·103=23.4kHz;
驱动电流理论值：Ip＝5/10·1.8-0.015=262mA;
经过实际测量,斩波频率为23kKHz;驱动电流为260mA,符合设计要求。实际电流波形如图7所示。